半橋型開關穩(wěn)壓電源設計概要

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學電力電子技術課程設計（論文）題目：半橋型開關穩(wěn)壓電源設計院（系）： 電子與信息工程學院專業(yè)班級：學 號：學生姓名：指導教師： （簽字）起止時間： 2013.12.16-2013.12.27課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室： 電子信息工程號 學設計 文） 程論目 課（題123課程設計（論文）任務流 直 計 完 率 直 直 過 、 效 出 ： 通 7 低 輸 度 、 。4 代 3 精 。圖 路 源 6 6 路 相 電 5 W。 電 制 流 4550W 變 繪 直 率 2 逆 、 率 率 、 6 頻 ： 3 功 電 率 。 。 數 大 流 功 計。

2、 擇 術參 寬 入交 最大 路設 或選 技 范圍 輸 5 電路 計 求 穩(wěn)壓 2。 10 整流 路 。 要 穩(wěn) V。 1 、 電 確 、 4V 60 流 2動 正 能 2 2 電 驅 要。 功 流 證。 5、 。 算 范 求 及 供 70 直 論證5 右計規(guī) 要 務 提 17 出 1 術論。 左與、 合 任 備 相 輸 技術號書。 字析整 符 計 設 單相 、 的 濟技型明書 00分工 擇 設 子 。 壓單 4 值 經濟體說明 00論表 選 的:電 源 : 壓 。 定 :經具 4理圖 的 成能 室 電 數 電 定 整 務 的的右 在的的 件 完功 驗 壓 參 恒 壓 任 件字 : 字中中 器

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4、主要是為實驗室電子設備提供 24V穩(wěn)壓范圍寬、大功率直流電源， 以取代低效率的線性穩(wěn)壓電源。電源是各種電子設備不可或缺的組成部分，其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備 的技術指標及能否安全可靠地工作。由于開關電源本身消耗的能量低，電源效率 比普通線性穩(wěn)壓電源提高一倍， 被廣泛用于電子計算機、 通訊、家電等各個行業(yè)。 它的效率可達 85以上，穩(wěn)壓范圍寬，除此之外，還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電 源變壓器等特點，是一種較理想的穩(wěn)壓電源。目前，開關電源以小型、輕量和高 效率的特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等幾乎 所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。并對

5、開關電源提出了小型輕量要求，此外要求開關電源效率要更高、性能更好、可靠 性更高等。當前，各國正在努力開新器件、新材料以及改進裝連方法，進一步提 高效率，縮小體積，降低價格，以解決開關電源面臨的課題。隨著電力電子技術 的不斷創(chuàng)新，開關電源產業(yè)會有更廣闊的發(fā)展前景本文介紹了一種采用半橋電路 的開關電源，其輸入電壓為單相 170 260V，輸出電壓為直流 24V 恒定，最大功 率 250W。從主電路的原理與主電路圖的設計、控制電路器件的選取、保護電路方 案的確定等方面的研究。關鍵詞 ：半橋變換器；功率 MOS管；脈寬調制；穩(wěn)壓電源目錄第 1 章 緒論 11.1 開關穩(wěn)壓電源概況 11.2 開關電源研

6、究內容 1第 2 章 電路設計 32.1 穩(wěn)壓電源總體設計方案 32.2 具體電路設計 42.2.1主電路設計 42.2.2 控制電路設計 52.2.3 保護電路設計 62.2.4 整體電路設計 72.3 元器件型號選擇 8第 3 章 課程設計總結 11參考文獻 12第1章 緒論1.1 開關穩(wěn)壓電源概況電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉。電源是生產電的裝置，表示電源特性 的參數有功率、電壓、電流、頻率等；在同一參數的要求下，又有重量、體積、 效率和可靠性等指標。我們用的電，一般都需要經過轉換才能適合使用的要求， 例如交流轉換成直流，高電壓變成低電壓，大功率轉換成小功率等。電力電子技術可以理解為功

7、率強大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣大電流、高電壓 場合應用的電子技術，它與傳統(tǒng)的電子技術相比，其特殊之處不僅僅因為它能夠 通過大電流和承受高電壓，而且要考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的 問題。為了解決發(fā)熱和效率問題，對于大功率的電子電路，器件的運行都采用開 關方式。這種開關運行方式就是電力電子器件運行的特點。電力電子學這一名詞是 20世紀 60年代出現的，“電力電子學” 和“電力電子 技術”在內容上并沒有很大的不同，只是分別從學術和工程技術這2 個不同角度來稱呼。電力電子學可以用圖 1 的倒三角形來描述，可以認為電力電子學由電力 學、電子學和控制理論這 3 個學科交叉而形成的。這一觀點被全世

8、界普遍接受。電力電子技術與電子學的關系是顯而易見的。電子學可分為電子器件和電子 電路兩大部分，它們分別與電力電子器件和電力電子電路相對應。從電子和電力 電子的器件制造技術上進兩者同根同源， 從兩種電路的分析方法上講也是一致的， 只是兩者應用的目的不同，前者用于電力變換，后者用于信息處理。按照電子理論，所謂 AD/DC就是交流轉換為直流； AC/AC稱之為交流變交流， 即為改變頻率； DC/AC稱為逆變； DC/DC為直流變交流后再變直流。 為了達到轉換 目的，電源變換的方法是多樣的。自上世紀六十年代，人們研發(fā)出了二極管、三 極管半導體器件后，就用半導體器件進行轉換。所以，凡是用半導體功率器件作

9、 開關， 將一種電源形態(tài)轉換成另一種形態(tài)的電路， 叫做開關變換電路。 在轉換時， 以自動控制穩(wěn)定輸出并有各種保護環(huán)節(jié)的電路，稱為開關電源。1.2 開關電源研究內容開關電源在效率、體積和重量等方面都遠遠優(yōu)于線性電源，因此已經基本取 代了線性電源，成為電子熱備供電的主要電源形式，受到人們的青睞。采用先整 流濾波、后經高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波 的方法。這種采用高頻開關方式進行電能變換的電源稱為開關電源。隨著電子技 術和應用迅速地發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源的品種和類型也越來越多。按激勵方式分為 他激式和自激式；按調制方式分為脈寬調制型、頻率調制型和混合調制型；按開 關管電流的

10、工作方式分開關型和諧振型；按開關晶體管的類型分為晶體管型和可 控硅型；按儲能電感與負載的連接方式分為串聯型和并聯型；按晶體管的連接方 式分為單端式、 推挽式、半橋式、全橋式。 本文設計了一種半橋型開關穩(wěn)壓電源， 它具有驅動電路簡單，驅動功率小，開關速度快，開關頻率高等優(yōu)點。具體設計 技術參數如下：1. 輸入電壓單相 170260V；2. 輸入交流電頻率 4565HZ；3. 輸出直流電壓 12V恒定；4. 輸出直流電流 10A；5. 最大功率： 120W；6. 穩(wěn)壓精度： 直流輸出電壓整定值的 1%； 本文分別從以下幾個方面進行了設計：1. 主電路設計；2. 控制電路設計；3. 驅動電路設計；4

11、. 保護電路設計；5. 整體電路設計；6. 元器件型號的選擇；第2章 電路設計2.1 穩(wěn)壓電源總體設計方案開關電源采用功率半導體器件作為開關器件，通過周期性間斷工作，控制開 關器件的占空比來調整輸出電壓。開關電源的基本構成如下圖所示，其中 DC/DC 變換器進行功率轉換，它是開關電源的核心部分，此外還有起動、過流與過壓保 護、噪聲濾波等電路。輸出采樣電路（ R1、R2）檢測輸出電壓變化，與基準電壓 Ur 比較，誤差電壓經過放大及脈寬調制（ PWM）電路，再經過驅動電路控制功率 器件的占空比，從而達到調整輸出電壓大小的目的。具有一定的抗不平衡能力， 對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，

12、從幾十瓦到千瓦都可以；開 關管耐壓要求較低；電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種穩(wěn)壓輸 出的 DC變換器。DC/DC變換器有多種電路形式，常用的有工作波形為方波的 PWM變換器以及 工作波形為準正弦波的諧振型變換器。圖 2.1 主體方框圖隨著電力電子技術的發(fā)展，電源技術被廣泛應用于各個行業(yè)。對電源的要求 也各有不同。本次設計的是一種功率較大，的開關電源。設計采用了 ACDCACDC變換方案。 一次整流后的直流電壓， 經過有源功 率因數校正環(huán)節(jié)以提高系統(tǒng)的功率因數，再經半橋變換電路逆變后，由高頻變壓 器隔離降壓， 最后整流輸出直流電壓。 系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)為有源功率因數校正電路、DCDC電

13、路、功率因數校正電路、 PWM控制電路和保護電路等。采用 UC3854A B 控制芯片組成功率因數校正電路來提高功率因數， 用新型的芯片 UC3825作為控制 芯片來代替 SG3525，不僅外圍電路簡單，而且具有有容差過壓限流功能，還采用 了新型 IR2304 作為驅動芯片，動態(tài)響應快，且自帶死區(qū)，防止半橋上下管直通。該電路用高速雙路 PWM控制器 UC3825為控制芯片，功率 MOSFET為開關器件 而構成的推挽逆變器，逆變器輸出 。經高頻 LC濾波后輸出 1MHz/100W正弦波功 率信號。實驗證明電路產生的波形質量好，電路結構簡單，控制方便，并具有體 積小，效率高的特點。 低頻小功率信號

14、源往往用線性功率放大電路， 其電路比較 簡單，波形質量好，易于實現。而對于高頻、 中大功率信號源用線性功率放大電路難 以實現，特別是對于要 求 1MHz/100W正弦波功率信號源，采用線性功率放大電路，其電路結構復雜，調 整困難，不易實現。而采用高速雙路 PWM控 制器 UC3825為控制芯片，功率 MOSFET 為開關器件， 經 LC高頻濾波，輸出 1MHz/100W正弦波功率信號源， 其波形質量好， 電路結構簡單，體積小，效率高。2.2 具體電路設計2.2.1 主電路設計反激式電源一般用在 100w 以下的電路，而本電源設計最大功率達到 500w， 額定電流為 10A左右。在功率較大的高頻

15、開關電源中，常用的主變換電路有推挽 電路、半橋電路、全橋電路等。其中推挽電路用的開關器件少，輸出功率大，但 開關管承受電壓高 （為電源電壓的 2倍） ，且變壓器有 6 個抽頭，結構復雜；全橋 電路開關管承受的電壓不高，輸出功率大，但需要的開關器件多 （4 個） ，驅動電 路復雜；半橋電路開關管承受的電壓低，開關器件少，驅動簡單。根據對各種拓 撲方案的電氣性能以及成本等指標的綜合比較， 本電源選用半橋式 DC DC變換器 作為主電路。如圖 2.2 即為主電路圖。圖 2.2 主電路圖圖 2.2 中 Q3、Q4、C1、C2 和主變壓器 T1 構成了半橋 DC DC 變換電路。 MOSFET 采用 1

16、1NC380。電路的工作頻率為 80 kHz。變壓器采用 E55 的鐵氧體 磁芯，無須加氣隙。繞制時采用 “三段式”繞法，以減小漏感。 R1和 R2用以保證 電容分壓均勻， R3、C3和 R4、C4為MOS 管兩端的吸收電路。 C5為隔直電容， 用來阻斷與不平衡伏秒值成正比的直流分量，平衡開關管每次不相等的伏秒值。C5 采用優(yōu)質 CBB 無感電容。 Ct 是電流互感器，作為電流控制時取樣用。 D1、 D4 采用快恢復二極管，經過 L1 和 C6、C7平波濾波后輸出 OUT2 給控制芯片供 電， R5、R6 則是反饋電壓的采樣電阻。主變壓器的輸出 OUT3 為高頻低壓交流 電。如圖 2 所示，反

17、饋電壓和輸出電壓同一繞組，樣，可以在負載變化時最大限 度地保證輸出電壓的穩(wěn)定。后級可接一個或多個多路輸出的變壓器，然后通過整 流電路整流，這樣既能保證每路輸出都是獨立的，又可以得到任意大小的電壓。 故可滿足 DSP 等需要多路不同電壓供電且精度較高的要求。2.2.2 控制電路設計系統(tǒng)的控制電路采用高速雙路的 PWM控制器 UC3825，如圖 2.3 所示即為所選 電路，其內部電路主要由高頻振蕩器、 PWM比較器、限流比較器、過流比較器、 基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、 PWM鎖存器、輸出驅動器等 組成。它比 SG3525具有以下優(yōu)點：1) 改進了振蕩電路，提高了振蕩頻率的精度，

18、并且具有更精確的死區(qū)控制；2) 具有限流控制功能，且門檻電流有 5的容差；3) 低啟動電流 (100MA)；4) UC3825關斷比較器是一個高速的過流比較器，它具有 12v 的門檻值，保 證芯片重新啟動前軟啟動電容完全放電，在超過門檻值時，輸出為低電平狀態(tài)，防止上下橋臂同時導通而引起短路。下圖為主電路的控制電路前級的 R808和 R809與穩(wěn)壓管構成一個啟動電路，觸發(fā) UC3825開始工作后， 由反饋輸出 OUT1自供電。PWM的調制波由 R1和 CT振蕩產生，RT、CT一般按式 (1) 及式 (2) 選取。RT=3V/( 10mA) *(1-Dmax) (1)CT=(1.6*Dmax)/(

19、Rt*f) (2) 式中： f=80kHz，為所取的頻率腳 1(INV) 、腳 2(E A)和腳 3(HI) 構成一誤差放大器，做為電壓反饋用，腳 9(ILIM) 為限流，腳 8(SS)為軟啟動，腳 11(0UTA)及腳 14(0UTB)為輸出驅動信號。 從圖中可看出， UC3825功能比較全，外圍電路簡單，可有效減少 PCB的布線與外 圍元器件，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖 2.3 高速雙路 PWM控制器 UC3825 電路圖2.2.3 保護電路設計對于 DCDC電源產品都要求在出現異常情況 ( 如過流、過載)時，系統(tǒng)的保護 電路工作，使變換器及時停止工作。 UC3825的保護電路設計也比較簡單，

20、 如圖 2.4 所示。過壓護要根據電路中過壓產生的不同部位，加入不同的保護電路，當達到一 定的電壓值時， 自動開通 保護電路，使過壓通過保護電路形成通路， 消耗過壓儲存的電磁能量， 從而使過壓的能量不會加到主開關器件上， 保護了電力電子器件 為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現，將電容并聯在回路中， 當電路中出現尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效的抑制電路 中的過壓。與電容串聯的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與 電容產生振蕩。圖 2.4 RC 阻容過電壓保護電路2.2.4 整體電路設計有具體電路圖可知整體電路圖圖 2.5 整體電路圖2.3 元器件型號選擇1

21、. 輸入整流二極管的選擇 設輸入交流電壓為： ui 220 2sin wt 則經過橋式整流后的平均電壓為：ud1 220 2 sin wtd 0( wt )440 2198 V二極管兩端承受的最大反相電壓為： 1* 220 2 155.54V2UN （2 3）* 155.54 311.08V 466.62V所以根據實際情況即可選擇整流二極管： IN4005（ 600V/1A ）2. 變壓器的設計（1）變比 KT選最大占空比為 0.85 ，電路中壓降 U=2V，半橋式電路變壓器原邊繞組所加 電壓等于輸入電壓的一半即 Ui （min）=98V則根據公式 :U i （min） DmaxKT 6T U

22、 0max U（2）鐵心的選擇Ae為鐵心磁路截面積； Aw為鐵心窗口面積； PT為變壓器傳輸的功率； f s為開關 頻率； B 為鐵心材料所允許的最大磁通密度的變化范圍； dc 為變壓器繞組導體 的電流密度； kc 為繞組在鐵心窗口中的填充因數。若鐵心材料為鐵氧體則B=0.2T，dc=4A/mm2，kc=0.5 。根據 SG3525的控制選擇開關頻率為 100HZ。根據公 式:fs Bdckc120100* 0.2* 4*106 * 0.523000mm根據具體情況可選擇型號為 DE25 的鐵心則 Ae=40.00mm2， Aw=78.2mm2， Ae *Aw=3128 m m4 可以滿足要求

23、。（3）變壓器的繞組結構設計：由于鐵磁材料的相對磁導率 r 很大，因此勵 磁電感通常也較大。如果鐵心未夾緊，磁路中有氣隙，則勵磁電感會急劇下降，勵磁電流成倍增加，導致變壓器性能嚴重劣化。變壓器的漏感同一次、二次繞組 互相耦合的緊密程度密切相關，耦合不夠緊，則漏感會增加。漏感對電路工作帶 來的影響主要是負面的，給開關器件造成過電壓、形成較大的損耗，過大的漏感 還會造成占空比的損失。因此變壓器的設計應盡量減小漏感。減小漏感的辦法主 要是提高一次、二次繞組耦合的緊密程度，如采用間隔繞組等。3. 輸出濾波電感的設計I 為允許的電感電流最大紋波峰峰值，取最大輸出電流的 20%即 2A。根據 公式電感量為

24、in (max)4KT f s I選定電感鐵心：368VI 1=10+10*20%*0.5=11A4*6*100000* 277 H4. 輸出濾波電容的設計根據標準，輸出電壓的峰峰值 Vopp<200mV，考慮到功率開關管開關和輸出整 流二極管開關時造成的電壓尖峰以及直流電壓殘留的100HZ紋波，可令輸出電壓的交流紋波為 Vopp=50mV， U=2V，根據公式CfU ominU omin2 1 8Lf (2fs ) U OPP U imax U kTU121 36826128*77*10 6 * (200 * 103 ) 2 * 50* 10 3 7.8 F根據具體情況可以選擇兩個 4

25、.7 F/25V 鋁電解電容并聯使用。5. 功率管的選擇 考慮到功率器件的開關速度和驅動電路的簡潔， 本電源擬選用 MOSFE作T 為功 率開關管來構成半橋電路。整流濾波后的最大電壓值為 368V，功率開關管的額定電壓一般要求高于直流 電壓的兩倍，則功率開關管的額定電壓選為 800V。輸出濾波 電感 電流 的最大值為 11A， 那么 變壓器原 邊電 流最大值為11A/6=1.8A ，這也是功率開關管中流過的最大電流。 考慮到 2倍余量 2*1.8A=3.6A 。 根據實際情況選擇 IRFBE30，其參數為 800V/4.1A6. 變壓器二次側整流二極管的設計（1）額定電壓變壓器副邊是雙半波整流電路，加在整流二極管上的反相電壓為UDinmaxkT2* 3686123V在整流管開關時，有一定的電壓震蕩，因此要考慮 2 倍余量，可以選用 2*123V=246V的整流管。（ 2）額定電流在雙半波整流電路中，在一個開關周期內，整流管的開關情況是：當變壓器 副邊有電壓時，只有一個整流管導通；當變壓器副邊電壓為零時，兩個整流管同 時導通，可近似認為它們流過的電流相等，即為平均負載電流的一半，可近似計 算整流管的電流為：整流管中流過的最大